X射線實(shí)時(shí)成像分辨率

1、射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)分辨率及其影響因素摘要： 概述了X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的基本配置和反映系統(tǒng)質(zhì)量特性的調(diào)制傳遞函數(shù)以及提高X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)分辨率的基本方法。 關(guān)鍵詞：系統(tǒng) 分辨率 質(zhì)量特性 調(diào)制傳遞函數(shù) The Resolution and Influencing Factor in X-Ray Real Time Image System Zeng Xiangzhao （Nanhai Yuehai Steel Products Co.,Ltd Guangdong ） Abstract： This article introduced the basic configure and the mod

2、ulating transfer function which reflect the systemic quality speciality in x-ray real timeimage system, and introduced the basic technique for enhance the systemic resolution in X-Ray real time image system Keywords：System Resolution Quality speciality The modulating transfer function 1 X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng) X射

3、線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，已進(jìn)入工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。與其他檢測(cè)技術(shù)一樣，X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)需要一套設(shè)備（硬件與軟件）作為支撐，構(gòu)成一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)使用X射線機(jī)或加速器等作為射線源，X射線透過(guò)后被檢測(cè)物體后衰減，由射線接收/轉(zhuǎn)換裝置接收并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，利用半導(dǎo)體傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和信息處理技術(shù)，將檢測(cè)圖像直接顯示在顯示器屏幕上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行評(píng)定，然后將圖像數(shù)據(jù)保存到儲(chǔ)存介質(zhì)上。X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)可用金屬焊縫、金屬或非金屬器件的無(wú)損檢測(cè)。 2 X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的基本配置及影響因素 X射線實(shí)時(shí)成

4、像系統(tǒng)主要由X射線機(jī)、X射線接收轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)字圖像處理單元、圖像顯示單元、圖像儲(chǔ)存單元及檢測(cè)工裝等組成。 2.1 X射線機(jī) 根據(jù)被檢測(cè)工件的材質(zhì)和厚度范圍選擇X射線機(jī)的能量范圍，并應(yīng)留有一定的的能量?jī)?chǔ)備。對(duì)于要求連續(xù)檢測(cè)的作業(yè)方式，宜選擇直流恒壓強(qiáng)制冷卻X射線機(jī)。X射線管的焦點(diǎn)尺寸對(duì)檢測(cè)圖像質(zhì)量有較大的影響，小焦點(diǎn)能夠提高系統(tǒng)分辨率，因此，應(yīng)盡可能選用小焦點(diǎn)X射線管。 目前探傷機(jī)廠能夠提供的小焦點(diǎn)X射線探傷機(jī)是：160 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸 0.4mm0.4mm；225 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸0.8mm0.8mm；320 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸1.2mm1.2mm；4

5、50 kV恒壓式X射線系統(tǒng)，焦點(diǎn)尺寸1.8mm1.8mm。對(duì)焦點(diǎn)的要求也不宜過(guò)小，如果焦點(diǎn)過(guò)小且冷卻不好，焦點(diǎn)容易燒壞。 2.2 X射線接收轉(zhuǎn)換裝置 X射線接收轉(zhuǎn)換裝置的作用是將不可見(jiàn)的X光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，它可以是圖像增強(qiáng)器或成像面板或者線性掃描器等射線敏感器件。X射線接收轉(zhuǎn)換裝置的分辨率應(yīng)不小于3.0LP/mm。 X射線接收轉(zhuǎn)換裝置子系統(tǒng)又稱(chēng)為圖像成像系統(tǒng)，按目前成像的技術(shù)水平可分為兩種。一種是以圖像增強(qiáng)器為主的傳統(tǒng)成像器系統(tǒng)。圖像增強(qiáng)器為一種真空管，射線輸入屏由較薄的鋁或鈦材料制成，屏的基層涂有鈉（Na）-碘化銫（CsI）作為輸入閃爍體（CsINa），它能夠?qū)⒉豢晒獾腦光圖像轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光圖像

6、，再經(jīng)過(guò)光電陰極板的作用將可見(jiàn)光圖像轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電子束，電子束在高電壓作用下加速并聚焦于熒光輸出屏（ZnCdS：Ag閃爍體材料），從而形成可視的檢測(cè)圖像。在輸出屏后端配有聚焦光學(xué)鏡頭和CCD（charge-coupled device電荷耦合器件）攝像機(jī)，將可視圖像的模擬信號(hào)采集輸入圖像采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理。當(dāng)前可供選用的圖像增強(qiáng)器按輸入屏直徑有225mm(9)、150mm(6)、100mm(4) 三種；225mm(9)圖像增強(qiáng)器直徑較大，視野寬闊，一次檢測(cè)長(zhǎng)度較大，但清晰度較低，價(jià)格較高；100mm(4)圖像增強(qiáng)器直徑較小，重量較輕，便于攜帶式作業(yè)，且清晰度較高，但

7、視野較狹小，一次檢測(cè)長(zhǎng)度較小，工效較低；通常以選擇150mm(6)圖像增強(qiáng)器為宜。常用的CCD攝像機(jī)有晶片為1/2、分辨率為 752582線和晶片為1/3、分辨率可達(dá)到1000752線的CCD攝像機(jī)，目前更高清晰度的CCD攝像也已新近上市。 另一種是基于線陣掃描探測(cè)器（LDA-linear diode arrays 線陣探測(cè)器）的成像系統(tǒng)，LDA含有大量的電子元件和成像點(diǎn)，主要由發(fā)光晶體、光電二極管陳列，前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，X射線閃爍體材料（常用晶體有基于磷屏的釔、GdWO4和CsI）能夠?qū)射線轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，晶體安裝在眾多的光電二極管表面并按一定規(guī)則排列成為光電二極管陣列（大規(guī)型集成電路

8、），按掃描方式分為線掃描（線陣列）和面掃描（面陣列）。面陣探測(cè)器價(jià)格昂貴，目前多采用線陳列探測(cè)器。線陣掃描探測(cè)器LDA成像系統(tǒng)按照結(jié)合方式又分為兩種，一種是LDA成像系統(tǒng)直接與圖像采集要卡相結(jié)合，LDA成像系統(tǒng)采集的模擬圖像送到采集卡進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，再經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理，其工作原理基本與圖像增強(qiáng)器相同，但LDA成像系統(tǒng)的分辨率比起圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)的分辨率有較大的提高。另一種是LDA成像系統(tǒng)與CMOD(complementary metal -oxide-semiconductor (transistor)，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（晶體管）)傳感器相結(jié)合，一步完成射線光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字采集的全過(guò)程，

9、 這種成像系統(tǒng)稱(chēng)為L(zhǎng)DA-CMOS射線數(shù)字直接成像系統(tǒng)。LDA-CMOS射線數(shù)字直接成像系統(tǒng)目前在各種成像系統(tǒng)中處于先進(jìn)水平。LDA-CMOS射線-數(shù)字直接成像系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方式大大減少了信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程的信號(hào)干擾，且光電陣列像素尺寸很小，因此，空間分辨率得到很大的提高。 線陣探測(cè)器-CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)的造價(jià)比圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)要高出許多，基于價(jià)格因素的考慮，對(duì)于普通產(chǎn)品的X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)多采用圖像增強(qiáng)器成像系統(tǒng)，而對(duì)于要求較高的產(chǎn)品可采用線陣探測(cè)器-CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)。如采用線陣探測(cè)器-CMOS射線直接數(shù)字成像系統(tǒng)，X 射線機(jī)可不受小焦點(diǎn)的限制，X 射線機(jī)的造價(jià)相對(duì)

10、較低。因?yàn)槭蔷€掃描，像素是逐線掃描成像，幾乎不存在幾何不清晰度，因此，圖像清晰度大大提高；但是，由于逐線掃描，成像檢測(cè)速度較慢?，F(xiàn)在國(guó)外有一種面陣列成像板，既可大大提高圖像的清晰和又能提高檢測(cè)速度，但價(jià)格昂貴，現(xiàn)多用海關(guān)集裝箱高能射線檢測(cè)裝置。 2.3 圖像處理單元 圖像處理單元應(yīng)具有圖像數(shù)據(jù)采集和處理功能。 圖像數(shù)據(jù)采集方式可以是圖像采集卡或其它數(shù)字圖像合成裝置。圖像采集分辨率應(yīng)不低于768576像素，且保證水平方向分辨率與垂直方向分辨率之比為43；動(dòng)態(tài)范圍即灰度等級(jí)應(yīng)不小于256 級(jí)。 圖像采集卡安裝在計(jì)算機(jī)中，主要作用是進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將成像系統(tǒng)采集來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字

11、信號(hào)成為數(shù)字圖像。常用圖像采集卡的采集分辨率多為768576像素，動(dòng)態(tài)范圍為8bit=256灰度級(jí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已有高分辨的圖像采集分辨率可達(dá)到1k1K，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到12bit=4096灰度級(jí)。如選用高分辨率的圖像采集卡，能大大提高系統(tǒng)分辨系率，但價(jià)格較高。通常隨卡提供成像軟件。 2.4 圖像處理軟件 圖像處理軟件應(yīng)具有降噪、亮度對(duì)比度增強(qiáng)、邊緣增強(qiáng)等基本功能。圖像處理軟件應(yīng)能適應(yīng)相應(yīng)檢測(cè)產(chǎn)品所規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具有圖像幾何尺寸標(biāo)定和測(cè)量以及缺陷定位功能；在檢測(cè)圖像中標(biāo)定的缺陷位置與實(shí)際位置誤差應(yīng)2mm，單個(gè)缺陷的測(cè)量精度為0.5mm。 圖像處理軟件基本上需要兩種，一種是控制軟件，其功

12、能是通過(guò)數(shù)據(jù)總線發(fā)送命令來(lái)控制成像系統(tǒng)，這些命令包括工件動(dòng)作指令、成像裝置的校準(zhǔn)、從采集卡得到圖像、圖像平面尺寸校定、圖像實(shí)時(shí)采集、圖像的同步處理和圖像儲(chǔ)存等。根據(jù)視頻技術(shù)理論，圖像采集速度達(dá)到25幀/秒即視為實(shí)時(shí)成像。如果對(duì)工件只進(jìn)行普查，則可不起用圖像采集等指令。另一種是成像軟件，其功能是在計(jì)算機(jī)上顯示圖像，按所檢測(cè)工件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷等級(jí)評(píng)定，同時(shí)生成工件檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，輸出評(píng)定報(bào)告，再將檢測(cè)圖像和數(shù)據(jù)庫(kù)文件同時(shí)保存到光盤(pán)等儲(chǔ)存介質(zhì)中去。 如果檢測(cè)圖像的采集分辨率很高，采集的動(dòng)態(tài)范圍很大，則圖像的數(shù)據(jù)容量很大，因此，成像軟件還應(yīng)具有數(shù)據(jù)壓縮功能，由于檢測(cè)圖像是重要的技術(shù)資料，應(yīng)采取無(wú)損

13、壓縮，并應(yīng)具有良好的解壓和回放再現(xiàn)功能。圖像處理軟件通常由X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)研制單位提供給使用單位，有條件的使用單位也可以自行開(kāi)發(fā)圖像處理軟件。 2.5 圖像顯示單元 圖像顯示采取黑白方式顯示圖像，顯示器點(diǎn)距不大于0.26mm，顯示器應(yīng)為逐行掃描，刷新頻率不小于85Hz，圖像評(píng)定可選用1719顯示器，使觀察者的視野感到更舒適。 2.6 圖像儲(chǔ)存單元 檢測(cè)圖像可儲(chǔ)存在數(shù)字光盤(pán)等介質(zhì)中，儲(chǔ)存的數(shù)字圖像和有效信息不可修改和刪除，保留的數(shù)字圖像還應(yīng)包含有原始的采集數(shù)據(jù)。對(duì)于要求保存330年的重要檢測(cè)技術(shù)資料，應(yīng)選擇CD-R一次性光盤(pán)，（CD-R光盤(pán)的保存期可達(dá)50年），不能選擇CD-RW可擦寫(xiě)光盤(pán)。

14、2.7 計(jì)算機(jī)的基本配置 對(duì)于獨(dú)立的X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)至少應(yīng)配置兩臺(tái)計(jì)算機(jī) ，一臺(tái)用于圖像采集和圖像處理，另一臺(tái)用于圖像的評(píng)定和打印報(bào)告等 ，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)用纜線連接。計(jì)算機(jī)硬件的基本配置要求奔騰600以上，256M內(nèi)存，20G硬盤(pán)，并配軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機(jī)和刻錄機(jī)；軟件環(huán)境要求在windows2000操作系統(tǒng)下運(yùn)行。 2.8 檢測(cè)工裝或流水線 為實(shí)現(xiàn)工件的連續(xù)檢測(cè)，應(yīng)有必要的檢測(cè)工裝設(shè)備或流水線，且應(yīng)具有較高的機(jī)械精度。 2.9 X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)的選擇 實(shí)用的X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際上是以上X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的基本配置及多個(gè)影響因素有選擇性的組合，不同的組合會(huì)有不同的造價(jià)和使用功能；使用單

15、位可根據(jù)以上X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的基本配置及影響因素，再結(jié)合本單位的產(chǎn)品特點(diǎn)和產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及自身的經(jīng)濟(jì)條件來(lái)選擇適合本單位使用的X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。 3 X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的分辨率 3.1 系統(tǒng)分辨率 可以用多項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的質(zhì)量特性，例如系統(tǒng)分辨率、靈敏度、最高承受電壓、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的連續(xù)工作時(shí)間、圖像的采集和圖像處理速度、檢測(cè)效率、圖像一次性檢測(cè)范圍（長(zhǎng)度寬度）、圖像的動(dòng)態(tài)范圍、系統(tǒng)抗干擾性、系統(tǒng)的工作壽命、系統(tǒng)的價(jià)格性能比等多項(xiàng)指標(biāo)，其中系統(tǒng)分辨率是重要的指標(biāo)，系統(tǒng)中的每一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生變化，都會(huì)引起系統(tǒng)分辨率綜合性能的變化，所以，抓住了系統(tǒng)分辨率這

16、個(gè)綜合指標(biāo)，就等于抓住了X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)分辨率指標(biāo)是X射線實(shí)時(shí)成像整個(gè)系統(tǒng)性能的綜合反映，系統(tǒng)分辨率越高，表示系統(tǒng)的技術(shù)性能越好。系統(tǒng)分辨率是系統(tǒng)設(shè)備客觀性能的反映，僅與系統(tǒng)的構(gòu)成及其性能有關(guān)，與檢測(cè)工藝方法無(wú)關(guān)，所以，系統(tǒng)分辨率也稱(chēng)為固有分辨率。隨著系統(tǒng)設(shè)備的老化，系統(tǒng)分辨率也會(huì)衰退，因此，對(duì)系統(tǒng)分辨率應(yīng)定期進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)分辨率可以用分辨率測(cè)試卡直接在系統(tǒng)中測(cè)試出來(lái)。 3.2 實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)分辨率的測(cè)試方法 將分辨率測(cè)試卡緊貼在X射線接收轉(zhuǎn)換裝置（例如圖像增強(qiáng)）器輸入屏表面中心區(qū)域，線對(duì)柵條與水平位置垂直(或平行)，按如下工藝條件進(jìn)行透照，并在顯示屏上成像： (1) 射線管焦點(diǎn)至

17、圖像增強(qiáng)器輸入屏表面的距離不小于700mm； (2) 管電壓不大于40kv； (3) 管電流不大于2mA； (4) 圖像對(duì)比度適中。 在顯示屏上觀察測(cè)試卡的影像，觀察到柵條剛好分離的一組線對(duì)，則該組線對(duì)所對(duì)應(yīng)的分辨率即為系統(tǒng)分辨率，系統(tǒng)分辨率的單位是線對(duì)/毫米（LP/mm）。 系統(tǒng)分辨率也可以用系統(tǒng)清晰度（單位是mm）來(lái)表述，它們之間的換算關(guān)系是互為倒數(shù)的二分之一。 3.3 系統(tǒng)分辨率的作用 系統(tǒng)的設(shè)備配置確定之后，系統(tǒng)分辨率便是一個(gè)確定的參數(shù)。在實(shí)時(shí)成像檢測(cè)工藝中，通常是以系統(tǒng)分辨率作為已知參數(shù)來(lái)確定其他檢測(cè)參數(shù)，例如 ，實(shí)時(shí)成像檢測(cè)的圖像通常是放大的圖像，確定圖像放大倍數(shù)就需用到系統(tǒng)分辨系

18、（或系統(tǒng)不清晰度）： Mopt表示實(shí)時(shí)成像檢測(cè)工藝中的最佳放大倍數(shù)，Ui為系統(tǒng)不清晰度，d為射線源的焦點(diǎn)尺寸，均為已知數(shù)，代入公式即可算出Mopt ，令Mopt =M，這樣很快就可以確定檢測(cè)放大倍數(shù)M。 3.4 系統(tǒng)分辨率指標(biāo) 根據(jù)X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)不同的配置，X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)可分為A、AB、B三個(gè)級(jí)別來(lái)管理，A級(jí)的系統(tǒng)分辨率指標(biāo)可定為1.4LP/mm ，用于普通產(chǎn)品的X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)，例如汽車(chē)鋁合金輪轂、煉鐵高爐爐襯耐火磚以及食品罐頭的檢驗(yàn)；AB級(jí)的系統(tǒng)分辨率指標(biāo)可定為2.0LP/mm，用于較重要和產(chǎn)品的檢測(cè)，例如鍋爐壓力容器壓力管道對(duì)接焊縫的檢測(cè)，汽車(chē)零部件、電子元器件的檢測(cè)

19、；B級(jí)的系統(tǒng)分辨率定為3.0LP/mm，用于重要產(chǎn)品的檢測(cè)，例如核工業(yè)產(chǎn)品、航空航天器材的檢測(cè)。 4 圖像調(diào)制傳遞函數(shù) 從信息論的觀點(diǎn)來(lái)看，圖像的像素是檢測(cè)圖像的信息載體，像素可以具有不同的灰度級(jí)別，像素的多少以及灰度分布的組合構(gòu)成檢測(cè)的信息，檢測(cè)圖像的質(zhì)量（或信息）可以通過(guò)系統(tǒng)本身的傳遞特性反映出來(lái)。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)和圖像信息理論，提出調(diào)制傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)質(zhì)量或圖像質(zhì)量（信息）的評(píng)價(jià)依據(jù)。 4.1 調(diào)制度（MTF） 調(diào)制度原本是無(wú)線電學(xué)中的概念，引用到射線檢測(cè)中來(lái)它就是對(duì)比度。被檢測(cè)物體成像對(duì)比度的再現(xiàn)能力用調(diào)制度來(lái)表征，其定義是：圖像中最大灰度與最小灰度之差和最大灰度與最小灰度之和的比值，用

20、MTF表示： 式中： MTF - 調(diào)制度 （0MTF1） I1 - 最大灰度 I2 - - 最小灰度 調(diào)制度與分辨率的關(guān)系可以用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線表示： 圖1 調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線 調(diào)制傳遞函數(shù)可用MTF曲線來(lái)表示，橫座標(biāo)是分辨率，縱座標(biāo)是對(duì)比度。分辨率越小，MTF越大；分辨率越大，MTF越小。當(dāng)分辨率大到一定程度時(shí)，MTF趨近于零（表示圖像分辨率的線條間距小到幾乎分辨不清）。這種程度到達(dá)得越遲表示圖像分辨率越高。在X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)中通常將灰度設(shè)定為8bit（28）即256級(jí)，試驗(yàn)表明，正常人的眼睛能夠分辨的最低調(diào)制度為5% ，通常以MTF為8%時(shí)對(duì)應(yīng)的分辨率為圖像極限分辨率。 4.2 MTF函數(shù)的傳遞作用 調(diào)制傳遞函數(shù)的作用有三：其一，MTF曲線提供的信息是客觀的；其二，對(duì)比度和分辨率是能夠測(cè)量的；其三，MTF反映的信息是能夠傳遞的，即系統(tǒng)中各個(gè)階段的圖像質(zhì)量有再現(xiàn)